[論文レビュー] The habitability of Proxima Centauri b. I. Irradiation, rotation and volatile inventory from formation to the present

I. Ribas, Émeline Bolmont+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 147被引用数 99

ひとこと要約

この論文はProxima bの居住可能性を、高エネルギー照射、潮汐/自転進化、形成から現在までの揮発性（水）喪失をモデル化して評価します。

ABSTRACT

Proxima b is a planet with a minimum mass of 1.3 MEarth orbiting within the habitable zone (HZ) of Proxima Centauri, a very low-mass, active star and the Sun's closest neighbor. Here we investigate a number of factors related to the potential habitability of Proxima b and its ability to maintain liquid water on its surface. We set the stage by estimating the current high-energy irradiance of the planet and show that the planet currently receives 30 times more EUV radiation than Earth and 250 times more X-rays. We compute the time evolution of the star's spectrum, which is essential for modeling the flux received over Proxima b's lifetime. We also show that Proxima b's obliquity is likely null and its spin is either synchronous or in a 3:2 spin-orbit resonance, depending on the planet's eccentricity and level of triaxiality. Next we consider the evolution of Proxima b's water inventory. We use our spectral energy distribution to compute the hydrogen loss from the planet with an improved energy-limited escape formalism. Despite the high level of stellar activity we find that Proxima b is likely to have lost less than an Earth ocean's worth of hydrogen before it reached the HZ 100-200 Myr after its formation. The largest uncertainty in our work is the initial water budget, which is not constrained by planet formation models. We conclude that Proxima b is a viable candidate habitable planet.

研究の動機と目的

• Proxima bの現在および過去の高エネルギー照射とそれが大気/揮発性喪失に与える影響を推定する。
• Proxima bの可能なスピン状態と潮汐進化（同期または3:2共鳴）を推定する。
• 初期の水在庫のシナリオと、それが現代の居住可能性に及ぼす影響を探る。
• Proximaのスペクトルに合わせてエネルギー制限型逃逸フレームワークを用いて水素/水喪失をモデル化する。
• Proxima bが進化する居住可能領域の内縁を満たし得るかを評価する。

提案手法

• X線〜FUV/EUVにわたるProximaのスペクトルエネルギー分布を組み立て、現在および歴史的照射を定量化する。
• 水素/水喪失を推定するエネルギー制限型逃逸形式を適用する（流体力学的シミュレーションに基づく）。
• 潮汐相互作用の下で星の進化（光度、XUV出力）と惑星の軌道/自転ダイナミクスをモデル化する。
• 同期と3:2共鳴という2つのスピン状態シナリオを検討し、それらが居住可能性の内縁に与える影響を評価する。
• Proxima bの照射を地球と比較して脱水リスクと水保持の潜在性を評価する。
• Proximaの高エネルギー放射とProxima bの軌道における風に関する観測データに基づいて結果を根拠づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Proxima bの現在の高エネルギーフラックスはどのくらいで、地球とどのように比較されるのか？
• RQ2 Proximaの高エネルギー出力は時間とともにどのように進化し、それがProxima bの大気進化にどのような影響を及ぼすのか？
• RQ3 Proxima bに対して実現可能なスピンと潮汐状態はどのようで、それらは居住可能性の境界にどのように影響するのか？
• RQ4 Proxima bにとって現実的な初期水在庫は何か、居住可能領域に入る前後でどの程度の水が失われうるのか？

主な発見

Wavelength interval (nm)	Proxima b (erg s-1 cm-2)	Earth (erg s-1 cm-2)	Ratio
0.6–10 (X-rays)	163	0.67	≈250
10–40	111	2.8	≈40
40–92	13	0.84	≈15
92–118	20	0.79	≈25
0.6–118 (XUV)	307	5.1	≈60
10–118 (EUV)	144	4.4	≈30
118–170 (FUV)	147	15.5	≈10
H Ly α (122 nm)	130	8.6	≈15

• Proxima bは現在、地球より約60倍のXUVフラックスと約250倍のX線を受けている。
• 惑星の居住可能領域の内縁の進化はスピン状態に依存する。同期回転は内縁を非同期ケースとは異なる形で押しやる。
• エネルギー制限型逃逸モデリングは、形成後100–200 Myr目までにProxima bが地球オーシャン分の水素を喪失した可能性を示唆。
• 高い恒星活動にもかかわらず、初期の水量予算次第で水の多くを保持できる可能性がある。
• Proxima bは照射履歴と潜在的な水保持の下で、成長する居住可能性領域の中で依然として居住可能性の有力候補である。